小型餐厨废弃物处置设施的研发设计

陈超

摘  要：为解决餐厨废弃物的小型化、轻量化处理问题，通过引入某小型处置设施采购项目进行餐厨废弃物处理工艺要求、基本处理流程的分析，采用高强度研磨器、热过载保护器与密封结构进行废弃物研磨工艺优化，围绕搅拌器、搅拌容器两部分进行连续反应釜内部反应条件控制，基于高溫发酵过程进行加热器内部结构设计，并采用新型过滤分离材料进行油水分离机改进设计，最终实现餐厨垃圾处置设施的小型化、高性能、可靠性设计，满足垃圾就地处置需求。将该项目研发设计经验进行总结，能够为同类项目中装置设计及采购环节提供重要参考。

关键词：餐厨废弃物;结构设计;控制系统

近年来餐厨垃圾无害化处理与回收利用成为环保行业新兴业务点，然而现有废弃物处置设施因存在占地空间大、处置效率低、运行过程不稳定、续航能力差等普遍问题，严重影响环保政策普及效率。基于此，亟需对现有废弃物处置设施进行小型化设计，满足小规模、就地处置需求，为同类处置设施的应用推广提供现实借鉴意义。

1 工艺流程研究

以某小型餐厨废弃物就地处置设施采购项目为例，根据餐厨废弃物基本成分与环保部门处置要求，其处理目标在于实现对餐厨废弃物的破碎、脱渣及脱水处理[1]。具体来说，由专用运输车辆将餐厨废弃物集中收集、投放至进料口内，经由一级提升机运送至分流器内，完成物料分离处理，并分别输送至5个一级反应釜内;在反应釜内完成物料处理，分别通过两级绞龙、分拣装置将未完全粉碎的固体物料剔除;剩余液体物料经由二级提升机进入二级反应釜，经由化合反应后完成产品生产;再将余下物料运送至粉碎机内，将沉淀物质粉碎成末，余下液态物料则经由三级提升机运送至分离器中，留待后续实现油水分离。基于上述流程，可基本实现对餐厨废弃物的减量化处理，在此基础上整合客户要求与以往设计经验进行设备结构方案的设计，整体处置设施由主体框架、固液分离机、破碎机、反应釜、加热器、油水分离机等设备组成，并利用自动控制系统实现运行过程控制。

2 设备结构设计

2.1 破碎机设计

在餐厨废弃物处置设施进料口下方设计一个破碎装置，基于物理研磨工艺进行固体废弃物的研磨、粉碎处理[2]。在破碎机结构与关键部件设计上，选用镍铬合金作为研磨器制造原料，提高研磨器切割强度，并有效改善其耐腐蚀效果;在感应马达设计上，将其转速设为1725r/min，支持破碎硬度大、纤维结构、粘性强的多种物料，可沿正、反两个方向旋转，延长研磨器使用寿命，并且在马达内部设计一个热过载保护器，起到保护马达作用;在破碎机内部设有3层密封结构，中间层采用弹簧油封形式设计，用于同步防范进水、漏油;在研磨腔顶端连接部位增设一个橡胶垫圈，选用双圆锥滚子轴承与密封圈形成组合结构，用于发挥减噪、降震作用。

2.2 反应釜设计

在连续搅拌反应釜结构设计上，主要由搅拌机、搅拌容器两部分组成，其中搅拌机采用电动马达、转轴、密封装置、搅拌组件及传动机构连接形式设计，搅拌容器采用釜体、构件及换热元件连接形式设计。釜体选用不锈钢制成罐形结构，容器内衬银，供物料反应;将夹套以钢结构形式焊接在反应釜外壁上，将试剂注入夹套中，经由内壁起到传热作用，形成相对密闭空间，并经由管道与电磁阀连接，通过控制电磁阀实现对注入试剂每秒流量值的调控，用于调节容器内的反应温度;将电动马达作为搅拌器的驱动装置，通过调节马达功率实现对搅拌器运转速率的控制，保证实现反应釜内物料的均匀搅拌。在完成反应釜结构设计的基础上，在工艺运行过程中结合温度变化与反应速率进行反应釜内惰性物料的及时处理，维持容器内物料的平衡状态;在补充反应釜内物料时，选择在反应釜入口处加装一个温度传感器，保证入口处与釜内温度处于平衡状态，避免因加入物料过量或偏少影响到反应状态。

2.3 加热器设计

基于菌种生物降解法进行餐厨废弃物处理，主要利用高温发酵过程提高废弃物发酵速率，使菌种进入活跃状态、与餐厨废弃物发生反应，借此有效缩短废弃物降解时长、提高处理效率[3]。在加热器结构设计上，待餐厨废弃物从反应釜运出后进入加热器中，滚筒内物料仅占筒体容积的2/3左右，将加热空气注入余下1/3空间中，利用气体与废弃物间的温差形成强制对流条件，促成热量交换与传递。在加热器结构设计上，筒体内部沿纵向划分为三层结构，底层放置菌种，上方设置不锈钢网孔隔离钢板，在钢板上方设计多组刀片、以垂直状态插入钢板表面，用于承接上方餐厨废弃物;筒体右侧连通加温度传感器与加热板，对连接管道转弯处设有骨架密封结构，与筒体接口处设置挡风罩;筒体左侧上方还设有液体过滤塞，依次连接球形喷淋管、温湿度传感器与除臭装置，并通过与电磁阀连接实现设备温度控制，最终经由过滤网孔将滚筒内空气排出。

2.4 油水分离机设计

在过滤网正下方设计油水分离机，基于波纹板聚结法进行装置内部结构设计。在新型波纹板材的开发设计上，主要根据液体、固体界面张力平衡原理在材料表面设计一个接触角，将固体与气体、液体与气体、固体与液体之间的表面张力分别设为γsv、γlv和γsl，各界面接触角设为θ，其中当θ>90°时即可有效发挥疏水作用，则接触角与界面张力的关系可表示为：

将上述疏水材料制成的过滤网安装在污水处理箱前端和内部，待油水混合物从加热器中排出后，经由污水进口进入污水处理箱中，在拦截板上开设一排洗孔，使污水匀速流经油水分离网，将油直接送入油隔离层中，其余水则进入水隔离层中，借此有效延长油水分离时间，保证实现对混合污染物的高效分离。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

在控制系统总体结构设计上，选用MCS-51单片机、AT89S51控制器实现具体控制功能。在核心单元与元件选型设计上，单片机内部包含8位CPU、128B数据存储器RAM、4KB Flash ROM程序存储器、4个8位并行I/O口、1个全双工异步串行口、2个可编程16位定时器、1个看门狗定时器、中断系统、26个特殊功能寄存器以及3个程序加密定位锁;温湿度控制系统由DHT11数字温湿度传感器采集温湿度数据，用于检测滚筒内的温湿度数值;TFT显示模块设有液晶显示器，用于实现万温湿度、重量数据的在线实时显示;搭配三相交流电机中设置的Fuzzy-PID控制器进行转速调节，实现闭合回路的变频调速功能。

3.2 软件设计

在系统软件流程设计上，表现为：系统启动、开始进料，电机启动，分别完成重量、温湿度数值的设置与检测，将获取传感器参数与标准值进行比较，判断是否加料或启动喷淋装置、风机及加热装置等，待系统运行时长超过24h后，控制系统停止运转，完成整体控制流程的自动化。其中步进电机由加减速调节、正反转控制、步进角测试三项程序实现控制功能，利用传感器将采集的温湿度数据显示在触摸屏端，通过与设定值比较判断是否需触发相应程序及功能，实现对加热时长、温度的控制，并依托安装在出口部位的红外传感器进行排出物料的检测，控制输送电机及设备启停。

4 结论

通过基于环保行动背景进行餐厨废弃物处置设施研发设计方案的梳理，经由结构设计、硬件选型、软件开发等环节完成设备试制与生产。该设备投入使用后，可实现连续24h的不间断处理作业，一次可支持处理160L体积以上的厨余垃圾，具有处理周期短、处理效率高、无二次污染、易于拆装等性能优势，满足安全稳定运行需求。将该项目中研发设计经验进行总结，能够为同类项目采购及处置设施投入生产提供良好示范价值。

参考文献：

[1] 张欣.餐厨垃圾处理压滤机控制系统设计[J].科技风，2021，（21）：3.

[2] 张耀亮，王春荣，卢明，等.餐厨垃圾臭气控制技术的研究与探讨[J].园林，2020，（06）：5.

[3] 刘建伟，田洪钰，张波，等.餐厨垃圾处理站恶臭气体处理工程设计与运行[J].应用化工，2020，（01）：5.